(57)【要約】【課題】半導体デバイスの微細化、複雑構造に伴った多様な処理に対応し、プラズマ励起高周波の電磁界分布及びプラズマ発生分布を制御して均一処理を可能とするプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】下部電極１０にウエハ５を載置し上部電極２０にプラズマ励起用の高周波電源３０からの出力を印加しプラズマ３を生成し処理を行うプラズマ処理装置において、上部電極２０のプラズマ３に対向する面を伝播するプラズマ励起高周波に対するインピーダンスを変える手段として、例えば２箇所以上の溝４０を設け溝内部には誘電体部材４１を有し、溝４０の形状及び誘電体部材４１の誘電率によってインピーダンス値を操作する。【選択図】        図１
2005019508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を載置する第１の電極とプラズマ生成用の第２の電極を設け、前記第２の電極に高周波電源又はマイクロ波電源から出力された電磁波を給電してプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記第２の電極の表面を伝播する前記電磁波による表面波に対してインピーダンスを変える構造とするために、電極の表面を前記表面波の電流と交差する方向に少なくとも２箇所以上に分割する溝構造を前記第２の電極の表面に設け、分割された電極表面を容量結合したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記第２の電極表面に設けた溝内部に、誘電体部材を設けたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記第２の電極表面に設けた溝の深さｈが、前記電磁波の前記溝内部での実効的な波長λを用いて、λ／２０＜ｈ＜λ／４を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
被処理体を載置する第１の電極とプラズマ生成用の第２の電極を設け、前記第２の電極に高周波電源又はマイクロ波電源から出力された電磁波を給電してプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記第２の電極の表面を伝播する前記電磁波による表面波に対してインピーダンスを変える構造とするために、前記電磁波の波長λに比べてλ／５以下の間隔で複数個の導電性突起を前記第２の電極表面に配置し、前記導電性突起の幅ｄがｄ＜λ／１０を満たすことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記導電性突起の形状は、前記電磁波が伝播する前記導電性突起が電極母材の表面に導電性支持部材で接合する構造であり、前記導電性突起の上部面積が前記導電性支持部材の断面積に比較して広くしたことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
被処理体を載置する第１の電極とプラズマ生成用の第２の電極を設け、前記第２の電極に高周波電源又はマイクロ波電源から出力された電磁波を給電してプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記第２の電極の表面を伝播する前記電磁波による表面波電流を遮る方向に前記第２の電極を少なくとも２個以上に分割し、各分割された電極の間には誘電体部材で保持し、各分割された電極の間を容量的に前記分割された電極間を高周波が伝播することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置を用いて、被処理物に対して薄膜形成又はエッチング処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板等にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置及び処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＲＡＭやＣＰＵ等の半導体デバイスの製造においては、デバイス構造の微細化及び構造の多様化に加えて、生産コスト低減を目的とした処理基板の大型化、すなわち１２インチウエハ化の傾向にある。そのため、これら半導体製品の製造にとって、高精度な安定処理技術と大面積基板を均一処理する技術が重要課題となっている。
【０００３】
半導体デバイスの製造過程の中でも、例えば層間絶縁膜を介した上下の回路を連絡するコンタクトホールを形成するための絶縁膜エッチング処理は困難であり、１２インチウエハを用いた均一で安定した処理を可能にする製造装置の開発が国内外の各社で活発に行われている。
【０００４】
従来の絶縁膜のエッチング処理装置の構成は、容量結合型平行平板方式プラズマ処理装置が主流であり、プラズマ励起高周波としては、当初、汎用の周波数１３ＭＨｚが広く用いられていた。最近では、処理速度向上を狙ったプラズマの高密度化の観点からプラズマ励起周波数を高め、数１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚの高周波を用いる傾向にある。
【０００５】
均一処理を目的とした従来の方法として、例えば、平行平板電極のウエハを載置する下方電極にプラズマ励起高周波を印加し、接地側の上方の電極を分割し、分割された夫々の電極部分を違ったインピーダンス回路を介して接地することでプラズマ分布を制御することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、この方式ではウエハを載置する電極側にしかプラズマ励起高周波を印加できず、その場合に高電力の高周波がウエハに直接印加されることになるため現在のようにデバイス構造が微細でダメージに弱く、更にプラズマ励起周波数が高くプラズマ分布の現れやすい場合にはウエハへのダメージが問題となる。また、プラズマ励起周波数が数１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚと高くなると、インピーダンス回路を構成する上で浮遊容量を抑える必要から回路構成が大型化になるため、実用上装置への複数のインピーダンス回路を組み込む事が困難となる。
【０００７】
また、ウエハを載置する電極に対向する上部電極の中央部に設けた誘電体部材を有し、誘電体部材がプラズマ励起高周波の周波数に共振する寸法、形状とすることで励起高周波の電界分布を制御、均一化し処理の均一化を達成することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
しかし、このような解決手段では上部電極に比較的大型の円筒状誘電体部材を埋め込む構造となるため、上部電極中央部の電界強度を変化させることしかできず、多様なプロセスの均一性制御に対応することは困難である。
【０００９】
また、容量結合型平行平板型プラズマ処理装置のプラズマ励起高周波を印加するカソード電極をチャンバから誘電体で電気絶縁し、そのカソード電極とチャンバとの距離ｄを規定することで電界分布の不均一を緩和することを図ることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】
しかし、この方式では周辺部の電界が変化するのみで高精度なプロセス分布の制御は難しい。また、近年の絶縁膜エッチング装置のように電極間隔が数ｃｍの装置構成ではプロセス分布制御のためにはウエハ全面に渡って精度よく分布制御する手段が必須である。
【００１１】
一般的なアンテナの電界分布を制御する手段としては、ホーンアンテナ表面に電磁波の伝播方向に直交する方向に溝を設ける方式が示されている（例えば、非特許文献１参照）。この場合、溝の深さｄを伝播する電磁波の波長λに較べてｄ＝０．２５λのときにインピーダンスが最大となり、更にｄ＝０．５０λまで深くなるとインピーダンスがゼロ近くまで小さくなることが開示されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−６１１８５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２９８０１５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２５９１９号公報
【非特許文献１】
文献（Ｃ．  Ａ．ＢＡＬＡＮＩＳ著、ＡＮＴＥＮＮＡ  ＴＨＥＯＲＹ、ＪＨＯＮ  ＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮＳ，ＩＮＣ．、ｐ７００、１９９６）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、プラズマ処理装置において処理分布を均一化するためにプラズマ分布を高精度に制御することである。
【００１４】
近年、半導体デバイスが高性能化するに伴ってデバイス構造の微細化、複雑化、構成材料の多様化、更には生産性コスト低減のための８インチウエハから１２インチウエハへの大口径化への急激な技術の変化がある。そのため、半導体デバイスを生産に用いられるプラズマ処理装置においても、多様なデバイス構造に対応した各種プロセス条件にて大口径均一処理の達成が重要になる。例えば絶縁膜エッチング処理の場合には、絶縁膜の材料としてＳｉＯ２、低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）、有機膜等があり、さらに、エッチングすべき形状もゲート構造や層間膜のコンタクトホールのように全く異なる。これらの様々な処理に対応するためには、プラズマ分布を必要に応じて制御する必要がある。
【００１５】
更に、プラズマを高密度化し処理速度を速める手段としてプラズマ励起高周波の周波数を高めることが行われている。現在では、プラズマ励起周波数としては約２０ＭＨｚから約５００ＭＨｚ程度の高周波が使われていることが一般に報告されいる。しかし、プラズマ励起高周波の周波数が高くなると、プラズマ密度が高くなる反面、高周波の波長が短くなるに伴って電界磁界分布を反映してプラズマ分布が構造を持つようになり均一処理が困難になる。
【００１６】
本発明の目的は、プラズマ励起高周波の周波数が高い場合においても、プラズマ励起高周波の電界分布を制御することで多様な処理のニーズに対応して均一なプラズマ処理を可能とするプラズマ処理装置と処理方法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るプラズマ処理装置は、被処理体を載置する第１の電極とプラズマ生成用の第２の電極を設け、前記第２の電極に高周波電源又はマイクロ波電源から出力された電磁波を給電してプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記第２の電極の表面を伝播する前記電磁波による表面波に対してインピーダンスを高める構造とするために、電極の表面を前記表面波の電流と交差する方向に少なくとも２箇所以上に分割する溝構造を前記第２の電極の表面に設け、分割された電極表面を容量結合した。さらに、本発明は、前記溝内部に、誘電体部材を設けた。
【００１８】
また、本発明は、前記第２の電極表面の溝の深さｈが、前記電磁波の前記溝内部での実効的な波長λを用いて、λ／２０＜ｈ＜λ／４を満たすことが望ましい。
【００１９】
また、本発明は、被処理体を載置する第１の電極とプラズマ生成用の第２の電極を設け、前記第２の電極に高周波電源又はマイクロ波電源から出力された電磁波を給電してプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記第２の電極の表面を伝播する前記電磁波による表面波に対してインピーダンスを変える構造とするために、前記電磁波の波長λに比べてλ／５以下の間隔で複数個の導電性突起を前記第２の電極表面に配置し、前記導電性突起の幅ｄがｄ＜λ／１０を満たすようにした。
【００２０】
さらに、本発明は、前記導電性突起の形状を、前記電磁波が伝播する前記導電性突起と電極母材に表面に導電性支持部材で接合する構造であり、前記導電性突起の上部面積が前記導電性支持部材の断面積に比較して狭くした。
【００２１】
また、被処理体を載置する第１の電極とプラズマ生成用の第２の電極を設け、前記第２の電極に高周波電源又はマイクロ波電源から出力された電磁波を給電してプラズマを生成し、前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記第２の電極の表面を伝播する前記電磁波による表面波電流を遮る方向に前記第２の電極を少なくとも２個以上に分割し、各分割された電極の間には誘電体部材を設けて、前期誘電体部材において前記電磁波が容量的に前記分割された電極間を伝播することを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、前記第２の電極表面を伝播するプラズマ励起高周波の電磁界分布を必要な分布形状に制御可能となるので、多様なプロセス条件に対しても望むべきプラズマ分布が得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の形態を、図１により説明する。図１は、本発明の一実施例に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は、平行平板方式のプラズマ処理装置であり、ゲートバルブ４を通してターボ分子ポンプ等で真空排気された処理チャンバ１内の下部電極１０に被処理物であるウエハ５を載置する。処理プラズマの発生は、処理ガスを上部電極２０に設けたガス放出板２４の放出穴２５から一様に処理領域２に供給し、上部電極２０に高周波電源３０からの出力を整合回路３１を介して給電することでプラズマ３を生成し処理を行う。前記下部電極１０には、被処理物を静電吸着で保持し温度制御を確実にするために静電吸着膜１１を介して直流電源１７で直流電圧を加え、被処理物と前記下部電極１０との間の熱伝達を高めるために被処理物と静電吸着膜１１との間にはヘリウムガス等を充填している。また、被処理物にイオン照射し反応を促進するために、前記下部電極１０にはウエハ印加用高周波電源１５が整合回路１６を介して接続されており、前記上部電極２０には前記プラズマ３を通って伝播した前記ウエハ印加高周波電源１５の出力だけが低インピーダンスでアースに流れるようフィルタ回路３２が接続されている。
【００２４】
同様に、前記下部電極１０にも、プラズマ励起用の前記高周波電源３０の出力が低インピーダンスでアースに流れるために前記高周波電源３０の周波数帯を通過するフィルタ回路１８が設けられている。
【００２５】
発生する前記プラズマ３の均一性は、プラズマ励起高周波の前記上部２０表面における電磁界分布に関係する。高周波伝播に影響する前記上部電極２０は、電気的な構成として、前記上部電極２０が、絶縁材２２で電気絶縁して固定されて処理チャンバ１へ取り付けられており、前記プラズマ３と接触する部分の前記ガス放出板２４は石英やＳｉ等の誘電体で構成されている。
【００２６】
この場合、プラズマ励起の高周波は、給電導体２１から導体である前記上部電極２０表面を伝播して前記プラズマ３まで供給される。前記プラズマ３の部分では、高周波は、前記上部電極２０と前記プラズマ３との間を表面波として前記上部電極２０中央部に向かって伝播する。このとき高周波が伝播する領域に誘電体があると、高周波の実効的な波長が誘電率により短くなるためプラズマ分布の均一性が悪化する原因となる。
【００２７】
誘電体を石英とすると、誘電率εはε＝３．７８となり、実効的波長λは真空中の波長λ０＝３×１０−８（ｍ）を用いて、λ＝λ０／（ε）−０．５で表され、λ＝０．５１λ０、実効的波長λは真空中の波長λ０の約半分になる。誘電体がアルミナの場合には誘電率εがε＝９．７であるので、実効的波長はλ＝０．３２λ０となる。
【００２８】
前記上部電極２０の形状は、一般的には被処理基板の形状に対応し、ディスク状のＳｉウエハの場合には円形状の電極形状をもちいる。この場合には、電極表面に流れる表面波電流は、円形電極の半径方向に向かって流れる。そこで、半径方向の表面波電流と交差する方向となる円周方向に電極表面に溝４０ａ、４０ｂ、４０ｃを設けることで表面波電流の伝播を制御し高周波の電磁界分布を制御する。この場合、表面電流に対するインピーダンスは、前記溝４０の実効的波長λと深さｈとの比に依存しており、深さｈが（１／４）λのときにインピーダンスが最大となる。したがって、前記溝４０内部に誘電体部材４１ａ、４１ｂ、４１ｃを充填することで実効的な波長を短くすることができるので、誘電率によってもインピーダンスを操作できると共に高誘電率材料を用いることで溝形状を小型にすることが可能となる。すなわち、溝４０の深さｈは実効的波長λとの間で、λ／２０＜ｈ＜λ／４の関係を満たせば良い。
【００２９】
図２にて、前記上部電極２０表面の表面波電流に対するインピーダンスを制御する別の手段を示す。図２では、上部電極２０は、上面がプラズマに対向する面として示される。この例では、上部電極２０のプラズマに対向した面に溝構造を設け、プラズマに対向する側である溝上部４２ａ、４２ｂ、４２ｃに較べて、プラズマから離れた側である溝底部４３ａ、４３ｂ、４３ｃの半径方向の幅が広くなっている。電極表面を伝播する表面波にとって、前記溝上部４２は等価回路的にはコンデンサとして働き、前記溝底部４３は等価回路的にはインダクタンスとして機能する。
【００３０】
したがって、前記溝上部４２の幅を広げると等価コンデンサの容量が小さくなり、前記溝底部４３の幅を広げると等価インダクタンスが増大する。つまり、溝形状によって表面波に対するインピーダンスを変えることができる。
【００３１】
さらに、前記溝上部４２及び前記溝底部４３内部に誘電体部材を設けてインピーダンスを変えることも可能である。
【００３２】
図３にて、前記上部電極２０表面の表面波電流に対するインピーダンスを制御する別の手段を示す。図３では、上部電極２０は、６０の符号が付され、上面がプラズマに対向する面として示される。この例では、前記上部電極６０のプラズマに対向した面に上部導体６１を多数配置し、各上部導体６１は夫々支持導体６２で上部電極６０に固定され、上部導体６１の上部電極６０側（図示上部導体の下方）に下部空間６３が形成されている。
【００３３】
前記上部導体６１の形状は、円盤状や多角形又は半球状でも良く、前記上部導体６１の幅（直径）ｄがプラズマ励起高周波の伝播を大きく乱さないためには高周波の波長λに比較してｄ＜λ／１０関係を満たすものであり、配置された各前記上部導体６１間の距離ＬもＬ＜λ／５であることが望ましい。
【００３４】
表面波に対するインピーダンスは、前記上部導体６１の配置と下部空間６３の形状によって制御可能であり、前記下部空間６３に誘電体部材を設けることによってもインピーダンスを変えることが出来る。
【００３５】
すなわち、図３の上部電極６０は、電磁波が伝播する導電性突起６１が電極母材６０の表面に導電性支持部材６２で接合する構造であり、導電性突起６１の上部面積が導電性支持部材６２の断面積に比較して広く構成してある。
【００３６】
図４は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。図４ではプラズマ処理装置の上部電極４５とプラズマ励起用高周波電源３０と整合回路３１の部分だけの断面構造を示す。図４には省略し示してないが、その他の基本的な装置構成は第一の実施例図１と同じである。
【００３７】
この上部電極は、表面を伝播する電磁波による表面波電流を遮る方向に少なくとも２個以上に分割し、各分割された電極の間を誘電体部材で保持して各分割された電極の間を容量的に分割し、各電極間を高周波が伝播するように構成している。
【００３８】
すなわち、この上部電極４５は、電極部分と絶縁材料部分とが、例えば、バウムクーヘン状に配置されて構成される。すなわち、上部電極４５は、プラズマを発生させるための高周波が印加される上部電極４５ａが円筒状の絶縁部材４６ａを介して円筒状の上部電極４５ｂに取り付けられ、上部電極４５ｂが円筒状の絶縁部材４６ｂを介して外側の円筒の上部電極４５ｃに、上部電極４５ｃが円筒状の絶縁部材４６ｃを介して円筒状の上部電極４５ｄに取り付けられ、さらに、最外部の上部電極４５ｄが、処理チャンバに絶縁材４７で取り付けられて構成される。上部電極４５ａ，４５ｂ、４５Ｃ、４５ｄは、絶縁部材４６ａ，４６ｂ，４６ｃによって互いに容量的に結合され、上部電極４５ａに供給された高周波は上部電極４５ｄへ向けて伝播する。
【００３９】
前記絶縁部材４６は、石英やシリコン化合物、セラミック等の誘電体や抵抗体部材でも良く、これらの誘電体や絶縁体は必ずしも前記上部電極４５の間に設ける必要は無く、各上部電極４５を保持する目的に用いても良い。前記上部電極４５の形状は、被処理基板の形状に対応しており、一般的なＳｉウエハを処理する場合には前記上部電極４５ａは円筒形状であり前記上部電極４５ｂ、４５ｃ、４５ｄは円形筒状となる。
【００４０】
高周波が前記上部電極４５ａから外側の上部電極４５ｂへ伝播するときのインピーダンスＺは、絶縁膜（絶縁部材）４６ａの厚さｔと側面の面積Ｓ及び誘電率εに依存し、高周波の周波数がｆの場合、Ｚ＝ｄ／（εＳ２πｆ）で表される。したがって、前記絶縁部材４６の厚さ、面積、誘電率によって前記上部電極４５表面の電磁界分布を制御可能となる。特に、周波数が比較的低く第１の実施例図１のような溝構造で優位なインピーダンス変化を生じ得ない場合には、図４に示す構造が有効である。
【００４１】
図５はプラズマ生成用の前記第２の電極を分割した場合の効果を評価するために、（ａ）単一の電極構造５０の場合と（ｂ）外周部を４分割した構造５１の場合のプラズマ密度分布をシミュレーションした結果である。シミュレーションの結果、単一構造の場合にはプラズマ密度が周辺部で低下していたが、電極外周部を４分割した場合には分割部の電磁界強度が強くなりプラズマ密度も周辺部で高まった。このように、電極部構造によって表面を伝播する高周波の電磁界分布を変えることが可能で、その結果プラズマ分布を制御できることがわかる。
【００４２】
図６は、第３の実施例の構成を示す。図６の構成では、誘電体の真空窓７５によって真空を封じることによって上部電極部を大気側に置くことで上部電極構造を簡略化、低コスト化、メンテナンスの容易性を狙っている。
【００４３】
処理ガスは、前記真空窓７５全面に設けた誘電体製のガス放射板２４にガス導入口７６より供給し前記ガス放出板２４から一様に処理ガスを放出する。上部電極構造は、図４に示した上部電極４５と絶縁部材４６とによる構成と同じく、各上部電極７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ間に誘電体部材７１ａ、７１ｂ、７１ｃで容量結合させ高周波を伝播させる。上部電極の構成は、使用するプラズマ励起高周波の周波数によっては図１、図２、図３に示す上部電極部の構成でも良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、プラズマ励起高周波の周波数が高く電磁界が不均一分布に対して、簡単な構造でコンパクト更に安価に電磁界分布を制御してプラズマ分布を緩和し均一な処理を可能とする。
【００４５】
また、電極表面の溝形状及び電極を分割する構造にすることで周波数の低いプラズマ励起高周波を用いる場合にも、簡単な構成で容易にインピーダンスを変化でき処理の均一化が可能となる。
【００４６】
更に、電極表面にプラズマ励起高周波の実効波長に較べて小型の導電部材を複数配置することによっても高周波に対するインピーダンスを変化でき処理の均一化が可能となる。
誘電体の真空窓によって真空を封じることによってプラズマ発生に用いる上部電極部を大気側に置くことで、上部電極構造を簡略化、低コスト化でき、メンテナンスが容易性な構成で均一な処理を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すプラズマ処理装置の構成図。
【図２】本発明に係る電極部溝構造の一実施例を示す電極部縦断面図。
【図３】本発明に係る電極部表面構造の一実施例を示す電極部縦断面図。
【図４】本発明の第２の実施例を示すプラズマ処理装置の構成図。
【図５】電極構造とプラズマ密度分布との関係を示す解析結果のグラフ。
【図６】本発明の第３の実施例を示すプラズマ処理装置の構成図。
【符号の説明】
１  処理チャンバ
３  プラズマ
５  ウエハ
１０  下部電極
１５  ウエハ印加高周波電源
１７  直流電源
１８  フィルタ回路
２０  上部電極
２４  ガス放出板
３０  高周波電源
３２  フィルタ回路
４０  溝
４１  誘電体部材
【図１】
2005019508.tif 000003
【図２】
2005019508.tif 000004
【図３】
2005019508.tif 000005
【図４】
2005019508.tif 000006
【図５】
2005019508.tif 000007
【図６】
2005019508.tif 000008